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【技术汇】SCR 脱硝系统喷氨格栅的仿照优化
起源：2121非凡环保 颁布功夫：2021-01-29
以锅炉的选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction ，SCR）脱硝系统为钻研对象 ，使用数值仿照的步骤分析原喷氨格栅结构下烟气与氨气的混合成效 ，对其结构和安插大局进行优化调整 ，发现缩幼喷氨圆管上喷氨孔的直径并选取两侧安插大孔径中央安插幼孔径的大局 ，可加强氨气射流的穿透力 ，NH3摩尔浓度的变异系数Cv*高降落20% ，烟气与氨气混合均匀性得到大幅提升 。
关键词：喷氨格栅；数值仿照；变异系数；混合均匀性
引言
选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction ，SCR）脱硝是指在催化剂作用下 ，喷入还原剂氨或尿素 ，将烟气中的NOx还原为N2和H2O 。烟气氨氮散布均匀性被视为SCR脱硝机能评价的一个重要指标 ，作为SCR脱硝系统结构的一部门 ，喷氨格栅可促使氨气和烟气在进入SCR反映器前充分混合 ，喷氨装置设计不合理将直接造成氨氮混合不均匀 ，进而影响到进入催化剂层的反映 。只有烟气与氨拥有优良的混合均匀性 ，能力保障催化剂层达到*佳的催化反映和氮脱除效能 。国内表常用喷氨格栅进行多点喷氨 ，使氨均匀地散布在整个反映器截面上 。越来越严的排放尺度对SCR反映器内的速度场、浓度场、喷氨格栅喷射三者之间的耦合提出了更高要求 ，系统均流与混合是脱硝系统运行优化的关键之一 。以锅炉的SCR脱硝系统为钻研对象 ，选取数值仿照推算步骤 ，在分析原喷氨格栅结构烟气与氨气的混合成效的基础上 ，对其结构和安插大局进行优化调整 ，为脱硝喷氨格栅结构参数的优化设计提供参考 。
1 仿照对象与步骤
1.1仿照对象的几何结构及天堑前提
脱硝还原剂选取氨气 ，原始 SCR 喷氨格栅重要由氨气风路和烟路组成 ， 推算区域的几何模型如图1（a）所示 ，氨 与 空 气混合 稀 释 后 经氨气入口 进 入 环形氨气风路 ，并从喷氨圆管的管壁圆孔喷出；烟气从高温烟气入口自上而下贱动 ， 并在方形段烟路内与氨气混合 ，*终从烟气出口流出 。氨气风路为矩形 ，安插在烟路周边 ，两侧与喷氨圆管连通 ，烟路内共安插 5 根喷氨圆管 ，烟路内每根喷氨圆管中心线上 ，均设置有对称安插的喷氨孔 ， 喷口开孔方向与烟气流向、喷氨圆管中心线垂直 。SCR 喷氨格栅模型网格划分如图 1（b）所示 ，使用 ANSYS MESH 软件对三维几何模型进行网格划分 ， 选取六面体与四面体混合网格 ，对喷氨圆管网格进行部门加密 ，*终的网格数量节造在 100 万左右 。
SCR 喷氨格栅入口参数见表 1 ， 对部门参数进行了简化处置 ，如用高温空气包办高温烟气 ，用纯氨气包办氨气与空气的混合气体 ， 其他参数维持与现实情况一致 。
1.2 物理模型
对 SCR 喷氨格栅区域进行流场优化仿照是基于 N-S 流动节造方程的求解 。选取尺度 k-ε 模型仿照气体湍流流动 。选取 Species 物质输运模型仿照 NH3在烟气中的混合与扩散 ， 但不涉及化学反映 � ？裟芰糠匠� ，思考空气与氨气的换热 。本仿照如果烟气为单相气体 ， 不思考高温烟气中粉尘对流场的影响 ，将烟气视为不成压缩流体 ，且为定常流动；如果高温烟气入口和氨气入口的速度散布均匀 。烟路入口选取速度进口天堑前提 ， 烟路出口为 Outflow 天堑前提；喷氨入口为速度入口 ，喷射角杜纂烟气流动方向垂直；喷氨圆管及其他天堑设为绝热壁面前提 ，选取尺度壁面方程 ，无滑移天堑前提 。
2 仿照了局与分析
2.1原始SCR喷氨格栅的混合分析
原始 SCR 喷氨格栅共设置有 5 根喷氨圆管 ，每根圆管管壁上开有圆形喷氨孔 ，其安插如图 2 所示：喷氨孔水平方向上双侧对称安插 ，间距均为 20 mm ，孔直径为 7 mm ，每根喷氨圆管安插 20 个喷氨孔 ，从喷氨孔出来氨气的流向垂直于烟气流向 。
通过成立现有 SCR 喷氨格栅区域的全尺度三维模型 ， 并利用 Fluent 18.0 进行数值仿照推算 ，获得了现有 SCR 喷氨格栅烟路内的温度和 NH3质量分数散布 。图 3 为原始喷氨格栅的温度散布 ，喷氨入口截面的温度散布如图 3（a）所示 ，氨气风路的温度较低 ，方形段烟路的温度较高 ，这是由于氨气初始温度为 150 ℃ ，而高温烟气初始温度为 370 ℃ 。5根喷氨圆管均出现两侧到中央 ，温度显著逐步升高的景象 ，*高温升达 180 ℃ 。由于壁面均已设置为绝热 ，所以排除导热造成管内氨气温度升高 ，这可能是由于通过喷氨孔部门高温空气混入了喷氨圆管中 。烟气出口温度散布如图 3（b）所示 ，总体上看出口的温度散布并不十吩旖均 ，两侧存在部门低温区 。
图 4 为原始喷氨格栅的 NH3质量分数散布 ，喷氨入口截面的 NH3质量分数散布如图 4（a）所示 ，氨气风路的 NH3质量分数散布为 1 ，方形段烟路的为 0 。5 根喷氨圆管均出现两侧到中央 ，NH3质量分数散布逐步降低的景象 。而仿照过程中只有 NH3和空气两种组分 ，这注明随着 NH3在喷氨圆管中流动 ，方形烟路中部门空气通过喷氨孔进入到圆管中 。烟气出口NH3质量分数散布如图 4（b）所示 ，总体上看出口NH3的散布并不十吩旖均 ，存在中央浓度低 ，两侧浓度高的景象 。
无论从温度还是 NH3质量分数的散布来看 ，选取原始的喷氨格栅结构都存在高温烟气与氨气混合均匀性较差的问题 ， 即烟路出口两侧氨气浓度高 ，中央浓度低的情况 。这可能是由于氨气沿着圆管由两侧向中央流动时 ，其流量在逐步减� �；且喷氨孔是水安全插 ，高温空气垂直流动；并*终导致喷氨圆管的中央地位高温空气更容易通过喷氨孔进入圆管 ， 而氨气则更难从喷氨圆管的喷氨孔流入方形烟路 。因而 ，优化设计时还因思考在工艺允许的情况下 ， 进一步缩幼圆管中央段喷氨孔的直径 。
2.2 优化后 SCR 喷氨格栅的混合分析
对原始 SCR 喷氨格栅进行了优化设计 ，其结构如图 5 所示 。喷氨圆管上喷氨孔还是以 20 mm 等间距安插 ， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 种规格 ，具体地 ，两侧安插大孔径中央安插幼孔径 ，喷氨孔的数量和原始喷氨圆管一样 ，在水平方向上双侧安插 ，每根喷氨圆管安插 20 个喷氨孔 ，从喷氨孔出来氨气的流向垂直于烟气流向 。通过数值推算获得了优化后 SCR 喷氨格栅烟路内的温度和 NH3质量分数散布 。
图 6 为优化后喷氨格栅的温度散布 ， 其温度标尺和图 3 原始喷氨格栅的温度标尺维持一致 。喷氨入口截面的温度散布如图 6（a）所示 ，氨气风路的温度较低 ，方形段烟路的温度较高 ， 这同样是由于氨气和空气的初始温度不一致 。5 根喷氨圆管在方形烟路内温度稍微升高了一点 ， *高温升不超过 30 ℃ ，并未出现 原始结构 两 侧 到 中 间 温 度 明 显 升 高 的 景象 。烟气出口温度散布如图 6（b）所示 ，固然出口还存在幼领域的部门低温区 ， 但总体上看其温度散布还是比力均匀 ， 相比力于原始喷氨格栅出口的温度散布 ，部门低温区领域大大较幼 ，温度均匀性显著提升 。
图 7 为优化后喷氨格栅的 NH3质量分数散布 ，其质量分数标尺和图 4 原始喷氨格栅的质量分数标尺维持一致 。喷氨入口截面的 NH3质量分数散布如图 7（a）所示 ，氨气风路的 NH3质量分数散布为 1 ，方形段烟路为 0 。5 根喷氨圆管在方形烟路中 NH3质量分数均出现了幼幅降低 ， 这注明有少量空气通过喷氨孔进入圆管中 。但相较于原始喷氨格栅 ，混入喷氨圆管的空气大幅削减 。烟气出口 NH3质量分数散布如图 7（b）所示 ，总体上看出口 NH3的散布比力均匀 ，仅存在幼领域的低浓度区 。
2.3 优化前后 NH3散布均匀性对比分析
为进一步相识喷氨格栅优化前后 NH3的散布均匀性 ，将对 NH3的摩尔浓度进行定量分析 。选取变异系数 Cv这一参数作为衡量浓度均匀性的尺度 ，并将其界说为
如图 1（a）所示 ，沿着混合烟路气流方向由上而下别离截取 x=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m 和0.6 m 6 个截面 ， 并对其 NH3摩尔浓度的 Cv值进行比力分析 。图 8 为优化前后混合烟路各流通截面NH3摩尔浓度 Cv值的对比 ， 能够看出无论优化前还是优化后 ，NH3摩尔浓度的变异系数都是随着 x 值增大而减幼 ，注明随着烟气与 NH3的不休掺混 ，NH3的散布越来均匀；且经过 0.6 m 的混合距离 ，两种结构下的 NH3变异系数 Cv值均减幼一半 ，均匀性均提高了一倍 。然而无论哪个截面 ，优化后的 Cv值均显著幼于优化前 ，降落幅度在 10%～20%之间 ，注明仅通过调整喷肮で啥来优化喷氨格栅结构 ，NH3散布的均匀性就能大幅提高 。
3 结语
基于原有的SCR喷氨格栅结构进行仿照分析 ，发显熹安插并不合理 ，喷氨入口截面和烟气出口均存在中央NH3质量分数较低 ，而两侧较高的景象 ，烟气与氨气混合均匀性较差 。通过缩幼喷氨圆管上喷氨孔的直径并选取两侧安插大孔径中央安插幼孔径的大局 ，加强了氨气射流的穿透力 ，使烟气与氨气混合均匀性得到大幅提升 ，并*终确立了较优化的喷氨格栅结构 。
关键词：喷氨格栅；数值仿照；变异系数；混合均匀性
引言
选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction ，SCR）脱硝是指在催化剂作用下 ，喷入还原剂氨或尿素 ，将烟气中的NOx还原为N2和H2O 。烟气氨氮散布均匀性被视为SCR脱硝机能评价的一个重要指标 ，作为SCR脱硝系统结构的一部门 ，喷氨格栅可促使氨气和烟气在进入SCR反映器前充分混合 ，喷氨装置设计不合理将直接造成氨氮混合不均匀 ，进而影响到进入催化剂层的反映 。只有烟气与氨拥有优良的混合均匀性 ，能力保障催化剂层达到*佳的催化反映和氮脱除效能 。国内表常用喷氨格栅进行多点喷氨 ，使氨均匀地散布在整个反映器截面上 。越来越严的排放尺度对SCR反映器内的速度场、浓度场、喷氨格栅喷射三者之间的耦合提出了更高要求 ，系统均流与混合是脱硝系统运行优化的关键之一 。以锅炉的SCR脱硝系统为钻研对象 ，选取数值仿照推算步骤 ，在分析原喷氨格栅结构烟气与氨气的混合成效的基础上 ，对其结构和安插大局进行优化调整 ，为脱硝喷氨格栅结构参数的优化设计提供参考 。
1 仿照对象与步骤
1.1仿照对象的几何结构及天堑前提
脱硝还原剂选取氨气 ，原始 SCR 喷氨格栅重要由氨气风路和烟路组成 ， 推算区域的几何模型如图1（a）所示 ，氨 与 空 气混合 稀 释 后 经氨气入口 进 入 环形氨气风路 ，并从喷氨圆管的管壁圆孔喷出；烟气从高温烟气入口自上而下贱动 ， 并在方形段烟路内与氨气混合 ，*终从烟气出口流出 。氨气风路为矩形 ，安插在烟路周边 ，两侧与喷氨圆管连通 ，烟路内共安插 5 根喷氨圆管 ，烟路内每根喷氨圆管中心线上 ，均设置有对称安插的喷氨孔 ， 喷口开孔方向与烟气流向、喷氨圆管中心线垂直 。SCR 喷氨格栅模型网格划分如图 1（b）所示 ，使用 ANSYS MESH 软件对三维几何模型进行网格划分 ， 选取六面体与四面体混合网格 ，对喷氨圆管网格进行部门加密 ，*终的网格数量节造在 100 万左右 。
图 1 SCR 喷氨格栅几何模型及网格划分
SCR 喷氨格栅入口参数见表 1 ， 对部门参数进行了简化处置 ，如用高温空气包办高温烟气 ，用纯氨气包办氨气与空气的混合气体 ， 其他参数维持与现实情况一致 。
表 1 SCR 喷氨格栅入口参数
1.2 物理模型
对 SCR 喷氨格栅区域进行流场优化仿照是基于 N-S 流动节造方程的求解 。选取尺度 k-ε 模型仿照气体湍流流动 。选取 Species 物质输运模型仿照 NH3在烟气中的混合与扩散 ， 但不涉及化学反映 � ？裟芰糠匠� ，思考空气与氨气的换热 。本仿照如果烟气为单相气体 ， 不思考高温烟气中粉尘对流场的影响 ，将烟气视为不成压缩流体 ，且为定常流动；如果高温烟气入口和氨气入口的速度散布均匀 。烟路入口选取速度进口天堑前提 ， 烟路出口为 Outflow 天堑前提；喷氨入口为速度入口 ，喷射角杜纂烟气流动方向垂直；喷氨圆管及其他天堑设为绝热壁面前提 ，选取尺度壁面方程 ，无滑移天堑前提 。
2 仿照了局与分析
2.1原始SCR喷氨格栅的混合分析
原始 SCR 喷氨格栅共设置有 5 根喷氨圆管 ，每根圆管管壁上开有圆形喷氨孔 ，其安插如图 2 所示：喷氨孔水平方向上双侧对称安插 ，间距均为 20 mm ，孔直径为 7 mm ，每根喷氨圆管安插 20 个喷氨孔 ，从喷氨孔出来氨气的流向垂直于烟气流向 。
图 2 原始圆管上喷氨孔安插示意
通过成立现有 SCR 喷氨格栅区域的全尺度三维模型 ， 并利用 Fluent 18.0 进行数值仿照推算 ，获得了现有 SCR 喷氨格栅烟路内的温度和 NH3质量分数散布 。图 3 为原始喷氨格栅的温度散布 ，喷氨入口截面的温度散布如图 3（a）所示 ，氨气风路的温度较低 ，方形段烟路的温度较高 ，这是由于氨气初始温度为 150 ℃ ，而高温烟气初始温度为 370 ℃ 。5根喷氨圆管均出现两侧到中央 ，温度显著逐步升高的景象 ，*高温升达 180 ℃ 。由于壁面均已设置为绝热 ，所以排除导热造成管内氨气温度升高 ，这可能是由于通过喷氨孔部门高温空气混入了喷氨圆管中 。烟气出口温度散布如图 3（b）所示 ，总体上看出口的温度散布并不十吩旖均 ，两侧存在部门低温区 。
图 3 原始喷氨格栅温度散布
图 4 为原始喷氨格栅的 NH3质量分数散布 ，喷氨入口截面的 NH3质量分数散布如图 4（a）所示 ，氨气风路的 NH3质量分数散布为 1 ，方形段烟路的为 0 。5 根喷氨圆管均出现两侧到中央 ，NH3质量分数散布逐步降低的景象 。而仿照过程中只有 NH3和空气两种组分 ，这注明随着 NH3在喷氨圆管中流动 ，方形烟路中部门空气通过喷氨孔进入到圆管中 。烟气出口NH3质量分数散布如图 4（b）所示 ，总体上看出口NH3的散布并不十吩旖均 ，存在中央浓度低 ，两侧浓度高的景象 。
无论从温度还是 NH3质量分数的散布来看 ，选取原始的喷氨格栅结构都存在高温烟气与氨气混合均匀性较差的问题 ， 即烟路出口两侧氨气浓度高 ，中央浓度低的情况 。这可能是由于氨气沿着圆管由两侧向中央流动时 ，其流量在逐步减� �；且喷氨孔是水安全插 ，高温空气垂直流动；并*终导致喷氨圆管的中央地位高温空气更容易通过喷氨孔进入圆管 ， 而氨气则更难从喷氨圆管的喷氨孔流入方形烟路 。因而 ，优化设计时还因思考在工艺允许的情况下 ， 进一步缩幼圆管中央段喷氨孔的直径 。
图 4 原始喷氨格栅 NH3质量分数散布
2.2 优化后 SCR 喷氨格栅的混合分析
对原始 SCR 喷氨格栅进行了优化设计 ，其结构如图 5 所示 。喷氨圆管上喷氨孔还是以 20 mm 等间距安插 ， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 种规格 ，具体地 ，两侧安插大孔径中央安插幼孔径 ，喷氨孔的数量和原始喷氨圆管一样 ，在水平方向上双侧安插 ，每根喷氨圆管安插 20 个喷氨孔 ，从喷氨孔出来氨气的流向垂直于烟气流向 。通过数值推算获得了优化后 SCR 喷氨格栅烟路内的温度和 NH3质量分数散布 。
图 6 为优化后喷氨格栅的温度散布 ， 其温度标尺和图 3 原始喷氨格栅的温度标尺维持一致 。喷氨入口截面的温度散布如图 6（a）所示 ，氨气风路的温度较低 ，方形段烟路的温度较高 ， 这同样是由于氨气和空气的初始温度不一致 。5 根喷氨圆管在方形烟路内温度稍微升高了一点 ， *高温升不超过 30 ℃ ，并未出现 原始结构 两 侧 到 中 间 温 度 明 显 升 高 的 景象 。烟气出口温度散布如图 6（b）所示 ，固然出口还存在幼领域的部门低温区 ， 但总体上看其温度散布还是比力均匀 ， 相比力于原始喷氨格栅出口的温度散布 ，部门低温区领域大大较幼 ，温度均匀性显著提升 。
图 7 为优化后喷氨格栅的 NH3质量分数散布 ，其质量分数标尺和图 4 原始喷氨格栅的质量分数标尺维持一致 。喷氨入口截面的 NH3质量分数散布如图 7（a）所示 ，氨气风路的 NH3质量分数散布为 1 ，方形段烟路为 0 。5 根喷氨圆管在方形烟路中 NH3质量分数均出现了幼幅降低 ， 这注明有少量空气通过喷氨孔进入圆管中 。但相较于原始喷氨格栅 ，混入喷氨圆管的空气大幅削减 。烟气出口 NH3质量分数散布如图 7（b）所示 ，总体上看出口 NH3的散布比力均匀 ，仅存在幼领域的低浓度区 。
图 5 优化后圆管上喷氨孔的安插
图 6 优化后喷氨格栅温度散布
图 7 优化后喷氨格栅 NH3质量分数散布
2.3 优化前后 NH3散布均匀性对比分析
为进一步相识喷氨格栅优化前后 NH3的散布均匀性 ，将对 NH3的摩尔浓度进行定量分析 。选取变异系数 Cv这一参数作为衡量浓度均匀性的尺度 ，并将其界说为
图 8 优化前后混合烟路各流通截面 NH3摩尔浓度 Cv值的对比
如图 1（a）所示 ，沿着混合烟路气流方向由上而下别离截取 x=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m 和0.6 m 6 个截面 ， 并对其 NH3摩尔浓度的 Cv值进行比力分析 。图 8 为优化前后混合烟路各流通截面NH3摩尔浓度 Cv值的对比 ， 能够看出无论优化前还是优化后 ，NH3摩尔浓度的变异系数都是随着 x 值增大而减幼 ，注明随着烟气与 NH3的不休掺混 ，NH3的散布越来均匀；且经过 0.6 m 的混合距离 ，两种结构下的 NH3变异系数 Cv值均减幼一半 ，均匀性均提高了一倍 。然而无论哪个截面 ，优化后的 Cv值均显著幼于优化前 ，降落幅度在 10%～20%之间 ，注明仅通过调整喷肮で啥来优化喷氨格栅结构 ，NH3散布的均匀性就能大幅提高 。
3 结语
基于原有的SCR喷氨格栅结构进行仿照分析 ，发显熹安插并不合理 ，喷氨入口截面和烟气出口均存在中央NH3质量分数较低 ，而两侧较高的景象 ，烟气与氨气混合均匀性较差 。通过缩幼喷氨圆管上喷氨孔的直径并选取两侧安插大孔径中央安插幼孔径的大局 ，加强了氨气射流的穿透力 ，使烟气与氨气混合均匀性得到大幅提升 ，并*终确立了较优化的喷氨格栅结构 。
